地鐵車輛轉向架柔性產品平臺設計方法研究

任坤華 韓 鑫 張海柱 王晨曦 郭 恒

(1.中車工業研究院有限公司，100067，北京;2.西南交通大學機械工程學院先進設計與制造研究所，610031，成都∥第一作者，高級工程師)

轉向架是地鐵車輛的核心部件，直接影響到列車的牽引、制動、承載等性能。目前，地鐵轉向架研發面臨以下挑戰:其一是如何快速響應客戶多樣化、個性化的需求;其二是如何提高零部件的重用率。針對上述兩個問題，目前學界與業界普遍采用產品平臺與產品族策略予以應對［1］。產品平臺是組成公共架構的子系統及其接口的集合，在架構基礎上可以源源不斷地派生出功能相似、性能不同的產品集合，即產品族［2］。產品平臺與產品族策略可以在不犧牲企業規模經濟的情況下，盡可能地滿足客戶多樣化、個性化的需求，從而使企業獲取范圍經濟效益［1］。國外的阿爾斯通公司、龐巴迪公司和西門子公司等知名企業，經過多年來的發展和技術積累，建立了內燃與電力機車產品平臺［3］。近年來，中國中車股份有限公司的各大主機廠，如中車青島四方機車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司、中車唐山機車車輛有限公司、中車南京浦鎮車輛有限公司等都已開始關注軌道交通車輛產品平臺的建設［4］。

然而，目前我國軌道交通車輛產品平臺多采用穩健設計思想進行構建，產品平臺的組成元素主要是響應預定義需求的通用模塊集合。此外，產品平臺的研究多集中于模塊劃分與平臺元素識別［5］，而針對平臺模塊如何設計的研究還較為匱乏。因此，針對上述問題，本文定義了地鐵轉向架柔性產品平臺的內涵，并且提出了一套地鐵轉向架通用模塊與柔性模塊的設計方法，以提高企業響應多樣性、個性化客戶需求的能力。

1 地鐵車輛轉向架柔性產品平臺定義

世界市場已從傳統穩定型演變為動態多變型，企業的研發模式也相應地從大批量生產方式轉變為MC(大規模定制)方式。“模塊化”在21世紀初再次被提出并取得了較快的發展，其特點是將復雜系統化整為零進行處理，把高度困難的任務變得相對容易［6］。為平衡產品多樣性與成本之間的矛盾，產品平臺與產品族策略進一步被提出。該策略核心是構建產品主結構，并基于主結構不斷衍生新產品。產品主結構由通用模塊、定制模塊，以及配置機制3部分組成［7］。其中，通用模塊旨在幫助企業實現規模經濟效益，而定制模塊旨在滿足客戶定制化的需求，幫助企業實現范圍經濟效益。定制模塊雖滿足了客戶多樣化的需求，但其定制成本往往較高、定制時間較長。為此，第3類模塊即柔性模塊被提出，它旨在通過參數化變型設計以較低的投資成本達到定制模塊的效果［8］。

柔性產品平臺由通用模塊與柔性模塊組成［8］。地鐵轉向架柔性產品平臺的內涵見表1。

表1 地鐵車輛轉向架柔性產品平臺模塊內涵Tab.1 Connotation of flexible product platform module for metro vehicle bogie

目前，學界已有大量關于產品平臺元素識別的研究，包括定性識別與定量識別2個方面［5］。定性識別是一種主觀分析方法，主要基于啟發式規則識別模塊類型;定量識別是指將平臺元素識別視為一個分類問題，模塊被劃分到的區域即為該區域所定義的模塊類型。目前，產品平臺元素識別的研究已經日趨成熟，但是平臺元素設計的研究還較為匱乏。因此，本文主要針對已識別的通用模塊與柔性模塊，分析其模塊實例或變型結構的設計方法。

2 基于多屬性決策的通用模塊設計

本文采用多屬性決策方法從已有實例中確定通用模塊實例。由于轉向架由自制件與外購件組成，因此，其決策模型亦包括自制件與外購件兩部分，如圖1所示。

圖1 地鐵轉向架通用模塊實例多屬性決策模型Fig.1 Multi-attribute decision-making model of general module for metro bogie

自制件與外購件決策模型的結構相同，屬性值不同。模型分為4層［9］:最高層是目標層，在已有的多個模塊實例中選擇符合要求的最優模塊實例;第2層是準則層，針對研究對象從可重用性、可靠性、供應商評分、成本等4方面對模塊實例評估;第3層是指標層，對準則層進一步細化;最底層是方案層，即已有的多個模塊實例。

多屬性決策模型的構建及求解步驟如下:

1)構建初始決策矩陣Y。基于k個方案與i個指標，構建k×i的初始化指標決策矩陣:

式中:

yk，i——第k個方案關于第i個指標的屬性值;

m——方案總數;

n——指標總數。

2)構建規范化指標決策矩陣Y0。采用文獻［10］中的規范化方法對決策矩陣Y進行規范化處理，得到規范化的指標決策矩陣Y0:

式中:

yk，i，0——第k個方案關于第i個指標的規范化屬性值。

3)構建規范化準則決策矩陣R0。對同一準則層及其下屬指標層的指標，采用層次分析法［10］確定指標層權重后，將指標層屬性值加權平均得到的值作為準則層指標的屬性值。顯然，得到的準則層決策矩陣為規劃化矩陣。

4)采用TOPSIS(理想解法)［10］求解最優方案。在獲得規范化準則決策矩陣后，采用TOPSIS求解上述m個決策方案的權重并對方案進行排序，從而得到最優方案。

通過以上步驟決策出通用模塊實例后，需要進一步進行計算校核、仿真、試驗，以判斷已有實例是否滿足性能需求。若不滿足，則需要重新設計1個模塊實例并進行校核，直至滿足需求。

3 基于關聯設計的地鐵車輛轉向架柔性模塊設計

地鐵轉向架柔性模塊設計的關鍵是分析技術指標與模塊設計參數之間的關系，構建支持參數化變型設計的3D結構模型。關聯設計是實現變型設計的一種關鍵技術，該技術利用參數化設計原理建立零部件間的驅動關系，表現為零部件間幾何元素的重用，并使用上游零部件設計信息對下游設計過程進行約束和控制［11］。目前，大部分CAD(計算機輔助設計)軟件都支持產品的關聯設計。CATIA(交互式CAD/CAE(計算機輔助工程)/CAM(計算機輔助制造)系統)軟件通過發布、帶鏈接粘貼等功能支持關聯設計，并且這些功能可以有效梳理零部件之間的鏈接關系［11］。本文以CATIA軟件為平臺，結合CATIA中GSD(創成式外型設計)、KWE(知識工程)、ASD(裝配體設計)和PDG(零件體設計)4個模塊，采用關聯設計技術構建柔性模塊的變型結構模型，包括骨架模型與零件體三維模型。其中，骨架模型包括設計基準，設計參數，以及設計規則3類信息;零件三維模型除包含上述元素外，還有拉伸等實體特征。柔性模塊的變型結構模型的構建流程及結果如圖2所示，具體步驟如下:

圖2 地鐵車輛轉向架柔性模塊設計流程Fig.2 Design process of metro vehicle bogie flexible module

3.1 頂層骨架模型構建

1)分析轉向架的結構、接口等信息。在GSD模塊中，新建轉向架的設計基準，如軌面、轉向架縱(橫)向平面等。

2)在KWE模塊中，新建定位尺寸參數，如軸距、空氣彈簧間距等。

3)分析設計基準之間的關系，添加參數間的約束關系。轉向架骨架模型構建完成后，通過“發布”命令發布骨架元素。

3.2 下游骨架模型構建

下游骨架模型的構建方法與頂層骨架模型的構建方法類似。在ASD模塊中，下游骨架模型需要基于頂層骨架模型構建，通過帶鏈接粘貼的方式引用頂層骨架模型的元素，最后完成下游骨架的參數化建模并發布骨架元素。

3.3 零件體三維模型構建

1)在PDG模塊中，引用上層骨架元素構建零件的三模實體模型;

2)創建零件的設計參數或引用上層骨架的設計參數;

3)添加參數間的約束關系，完成零件體的參數化建模。

采用關聯設計技術構建的柔性模塊將能有效支持轉向架零部件的快速有序變型及裝配。

4 實例分析

本文以A型地鐵轉向架為例，對提出的地鐵轉向架柔性產品平臺設計方法進行驗證，包括轉向架通用模塊與柔性模塊的設計。

4.1 轉向架通用模塊設計

本文以側梁梁體為例，闡述通用模塊的設計過程及其方法。具體設計過程如下:

1)整理某主機關于A型地鐵已有側梁梁體實例，分析每個模塊實例的差異度、使用度、MTBF(平均無故障時間)、成本等信息，構建3×5的初始化決策矩陣。

2)采用第2節所述方法形成歸一化的準則決策矩陣，見表2。

表2 準則層多屬性決策規范化矩陣Tab.2 Criterion-level multi-attribute decision-making normalization matrix

3)采用TOPSIS方法得到各方案的相對貼近度:{C1，C2，C3}={0.746 5，0.218 2，0.2535}。

由此可知，實例Sidebeam1-80的相對貼近度最大。在此基礎上，進一步進行強度計算與仿真，以驗證該實例是否滿足A型地鐵轉向架平臺所定義的性能需求。經校核，Sidebeam1-80滿足要求。因此，將Sidebeam1-80視為A型地鐵轉向架平臺側梁梁體的通用實例。在后續A型地鐵轉向架訂單中，可以直接重用該實例以降低模塊的研發成本。

4.2 轉向架柔性模塊設計

A型地鐵轉向架平臺的柔性模塊包括車輪、車軸等。本文以車軸模塊為例，闡述柔性模塊的設計過程及方法:首先，構建轉向架骨架模型;然后，引用轉向架骨架模型信息構建輪對骨架模型;最后，基于輪對骨架模型，構建車軸三維模型。轉向架柔性模塊構建結果如圖3所示。在后續A型地鐵轉向架訂單中，可以直接重用該模型進行變型設計，從而提高模塊的設計效率。

圖3 地鐵車輛轉向架柔性模塊(車軸)構建結果Fig.3 Construction result of metro vehicle bogie flexible module(axle)

5 結語

為了快速響應客戶個性化的需求、提高零部件的重用率，本文定義了地鐵車輛轉向架柔性產品平臺的內涵，提出一套地鐵通用模塊與柔性模塊設計方法。前者所構建的通用模塊實例可以提高模塊的重用率，后者所構建的柔性模塊模型可以提高模塊的變型設計效率。以側梁梁體和車軸為例，驗證了所提方法的可行性與有效性。